Mục lục bài họcĐang ở d06-b2
Nuclear Power: Fission, Fuel, Waste, and Failure
Fission, step by step
A slow (thermal) neutron is absorbed by a $\text{U-235}$ nucleus. The nucleus splits into two lighter fragments, releases 2–3 new neutrons, and converts a tiny amount of mass into about $200$ MeV of energy. If on average exactly one of those neutrons causes another fission, the chain reaction is critical and steady.
Three parts control this:
- Moderator (water or graphite) — slows fast neutrons so they can be captured.
- Control rods (boron, cadmium) — absorb surplus neutrons. Pushing them in slows the reaction; pulling them out speeds it up.
- Coolant — carries heat to a steam generator. The reactor itself makes no electricity: like a coal plant, it boils water to spin a turbine.
Fuel and waste
Natural uranium ore is only about $0{,}7\%$ $\text{U-235}$; commercial fuel must be enriched to roughly $3$–$5\%$. Weapons-grade material is above $90\%$ — the gap between those numbers is the whole of nuclear non-proliferation policy.
Spent fuel is intensely radioactive and still generates decay heat long after shutdown. It goes first into water-filled cooling pools (heat removal plus shielding), then into dry casks. No permanent geologic repository operates in the United States; the proposed Yucca Mountain site remains unopened.
The three accidents to know
Three Mile Island (1979) — partial meltdown, but the containment structure held and off-site release was small. Chernobyl (1986) — an unstable reactor design with no containment building, plus a badly run test; a steam explosion spread fallout across Europe. Fukushima Daiichi (2011) — an earthquake and tsunami destroyed backup power, so cooling failed and decay heat melted three cores.
Phân hạch, từng bước một. Một nơtron chậm bị hạt nhân $\text{U-235}$ hấp thụ. Hạt nhân vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn, bắn ra 2–3 nơtron mới và chuyển một lượng khối lượng cực nhỏ thành khoảng $200$ MeV năng lượng. Nếu trung bình đúng một nơtron trong số đó gây ra lần phân hạch tiếp theo thì phản ứng dây chuyền ở trạng thái tới hạn, tức chạy ổn định.
Ba bộ phận giữ nó ổn định:
- Chất làm chậm (nước hoặc graphit) — làm nơtron nhanh chậm lại để bị bắt giữ.
- Thanh điều khiển (bo, cadimi) — hấp thụ nơtron thừa. Đẩy vào thì phản ứng chậm lại, rút ra thì nhanh lên.
- Chất tải nhiệt — mang nhiệt sang bình sinh hơi. Bản thân lò phản ứng không sinh ra điện: giống hệt nhà máy than, nó chỉ đun nước để quay tuabin.
Nhiên liệu và chất thải. Quặng urani tự nhiên chỉ chứa khoảng $0{,}7\%$ $\text{U-235}$; nhiên liệu thương mại phải làm giàu lên khoảng $3$–$5\%$. Vật liệu cấp vũ khí là trên $90\%$ — khoảng cách giữa hai con số này chính là toàn bộ nội dung chính sách chống phổ biến hạt nhân.
Nhiên liệu đã cháy có hoạt độ phóng xạ rất cao và vẫn tiếp tục sinh nhiệt phân rã rất lâu sau khi dừng lò. Nó được đưa vào bể làm mát chứa nước trước — nước vừa lấy nhiệt vừa che chắn bức xạ — rồi mới sang thùng khô. Hoa Kỳ chưa có kho địa chất vĩnh viễn nào hoạt động; địa điểm Yucca Mountain vẫn chưa mở.
Ba sự cố phải phân biệt được: Three Mile Island (1979) — nóng chảy một phần, nhưng nhà bao che giữ được, phát tán ra ngoài rất ít. Chernobyl (1986) — thiết kế lò kém ổn định, không có nhà bao che, cộng thêm một cuộc thử nghiệm làm sai quy trình; nổ hơi làm bụi phóng xạ rải khắp châu Âu. Fukushima Daiichi (2011) — động đất và sóng thần phá nguồn điện dự phòng, mất làm mát, nhiệt phân rã làm nóng chảy ba lõi lò.
Ở Fukushima, các thanh điều khiển đã được cắm hết vào lò ngay khi động đất xảy ra, phản ứng dây chuyền dừng trong vài giây. Vậy tại sao ba lõi lò vẫn nóng chảy nhiều giờ sau đó? Giải thích theo chuỗi nhân quả.
Mắt xích 1 — dừng phân hạch không có nghĩa là dừng sinh nhiệt. Các mảnh vỡ phân hạch tích tụ trong nhiên liệu tự chúng có tính phóng xạ và tiếp tục phân rã. Nhiệt phân rã ngay sau khi dừng lò vào khoảng $6\%$ công suất nhiệt định mức.
Mắt xích 2 — $6\%$ là con số rất lớn. Với một lò $3\,000$ MW nhiệt:
$$0{,}06 \times 3\,000 \text{ MW} = 180 \text{ MW nhiệt}$$tương đương công suất của gần hai trăm nghìn ấm đun nước đang bật, nằm bên trong một khối kim loại kín.
Mắt xích 3 — muốn tải nhiệt đó đi thì phải có bơm. Bơm cần điện. Lò đã dừng nên nó không tự cấp điện cho mình; điện lưới thì mất vì động đất; máy phát diesel dự phòng đặt ở cao trình thấp và bị sóng thần nhấn chìm.
Mắt xích 4 — hệ quả. Không bơm được nước, nhiệt độ nhiên liệu tăng, vỏ bọc zirconi phản ứng với hơi nước sinh khí hiđro. Khí này tích trong nhà lò và phát nổ, và nhiên liệu thì nóng chảy.
Bài học cho đề thi: điểm yếu của điện hạt nhân không nằm ở phản ứng dây chuyền — cái đó tắt được trong vài giây — mà nằm ở yêu cầu làm mát liên tục nhiều ngày sau khi đã tắt.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 6 — Energy Resources and Consumption gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.